大気中の炭酸ガス濃度の増加に伴う地球温暖化は、人口増加に伴う食糧不足の問題とあいまって、21世紀前半の社会的な重要課題として危惧されている。この問題に対処するために、国際的にはCLIVAR(気候変動とその予測計画)やJGOFS(全球的オーシャンフラックス共同研究)、GLOBEC(地球規模海洋生態系変動機構研究)などの国際共同研究が展開されている。これらを背景にして、本研究は大気・海洋の炭素循環に大きな役割を演じている海洋生態系の数値モデルを開発し、上部混合層が詳細に再現できる海洋大循環モデルに組み込んで、北太平洋における植物プランクトンの季節変動とその地域的差異のメカニズムの解明を試みた。その具体的方法と成果は以下の通りである。

　研究の方法:海洋大循環モデルに組込んだ生態系モデルを用いて季節変動パターンとその空間分布を解析し、既往の観測結果と比べて、栄養塩類の鉛直移流拡散、太陽光、海洋上部混合層深度、水温等の物理的環境因子の重要性を調べた。生態系モデルを構成する変数は、植物プランクトン、動物プランクトン、粒状有機窒素、溶存有機窒素、硝酸、アンモニアの6つであり、移流項には大循環モデルの流れを用いた。北太平洋全域に適用する前に、富栄養および貧栄養海域の定点観測点に1次元生態系モデルを適用することにより、生物学的素過程の諸パラメータ値と定式化の検証を行っている(第2章)。使用する海洋大循環モデルは、東京大学気候システム研究センターで開発されたものに、海洋上部混合層と等密度面拡散が導入されている。水平格子間隔は2°×2°、鉛直に45層とってあり、表・中層を非常に細かく区切っている。海面条件は、既往資料の風速、水温・塩分の月平均気候値に同化させている。そして、物理場のスピン・アップを十分に行った後、生態系モデルを組み入れて時間積分し、ほぼ定常的な季節変動が認められた6年目の結果を用いて、支配メカニズムの解析を行っている(第3、第4章)。

　研究の成果:まず、北太平洋全域を対象とした海洋大循環モデルにより、混合層深度や鉛直流などの空間分布、それらの季節変動といった物理的環境因子の現実的な結果を得、この海洋大循環モデルに生態系モデルを組込むことにより、海洋上層の栄養塩とクロロフィルの濃度、および基礎生産量と動物プランクトン密度について、絶対量と季節変動およびその空間分布のパターンを再現した。この生態系諸量の絶対値の大きさと空間分布の再現性は、Sarmiento et al.(1993)等の世界の第一線級のモデルに匹敵するものである。次に、北太平洋の季節変動の地域分布特性を調べるため、鉛直平均クロロフィル濃度の水平分布に経験的直交関数(EOF)をかけて得た各モードの極値と年平均濃度場をもとに7海域に区分した。これらは、風の応力、混合層深度、そしてクロロフィルに関する観測データをもとに海域区分されたLonghurst(1995)の結果ともよく対応する。

　さらに、モデルで計算された各海域の栄養塩収支の季節変動を解析し、鉛直混合と鉛直流が、栄養塩の鉛直輸送と植物プランクトンの光環境を通じてクロロフィル濃度に大きく影響すること、すなわち、上部混合層深度の季節変動の振幅と鉛直流速の正負がクロロフィル濃度の季節変動とその海域による違いを決める重要要因であることを明らかにした。また、親潮水域の春季のブルーミングは、密度成層の開始に伴う植物プランクトンの増殖が4月に急速に進み、動物プランクトンの捕食圧が追いつかないことによること、32°N-38°N付近の植物プランクトンの高生産海域の形成には、栄養塩濃度と水温の積の南北分布における極値が対応していることを示した。

　以上のように、申請者は北太平洋の大循環モデルに生態系を組込んだ数値モデルを構築してシミュレーション実験を行い、クロロフィル濃度の季節変動と空間分布が観測値とよく対応する結果を得た。さらに、植物プランクトンの現存量と生産速度の季節変動、および地域的変化を解析し、それらの支配因子として、上部混合層深度の季節変動の振幅、鉛直流速の大きさ、および環境水温の緯度変化の重要性を定量的に示した。これらの点に加え、本研究のような地球環境問題に関わる物理、化学、生物分野にまたがる学際的な研究課題に挑戦して、海洋における物質循環と生態系変動のダイナミックス解明の基礎となる結果を得たことは高く評価される。よって、審査員一同は、本論文が博士(理学)の学位論文として合格に値するものと認めた。なお、論文の一部は指導教官等との共同研究の成果であるが、その主要部分は申請者自身によってなされたものである。